硕士学位论文-微型汽车底盘参数优化匹配研究.pdf

重庆交通学院硕士学位论文微型汽车底盘参数优化匹配研究申请学位级别：硕士专业：载运工具运用工程20050330一塑垩!摘要随着计算机仿真技术、建模理论以及软件工程的不断发展，使得这些技术在解决交通领域内问题的应刚fj益广泛和深入。ADAMS软件在汽车领域应用较广，是进行车辆复杂动力学性能研究有力的工具。微型汽车因其结构特点、产品价格、使用场合和轿车有所不同，操纵稳定性和制动性能方面的研究就显得更加重要。本文采用多刚体系统动力学的理埝方法，应用ADAMSView模块建立了某型微车整车十五自由度的模型，通过对模型车操纵稳定性及制动性能的仿真，分析了影响它们的丰要结构参数，还对原车的前轮定位参数利制动力分配比进行了评估。国内微型汽车部分是在城乡结合部行驶，这些地区的路面条件并不太好，当汽车在这种不平路而上行驶时，单侧前轮往往受到路面冲击。为了限制单例前轮(假定是右前轮)受路面冲击而跳动对着地的左前轮动态定位参数产生影响，本文建立了减小着地前轮动态定位参数和理想殴计值变化量的目标函数，并优化了麦弗逊前悬架的有关结构参数。根据制动力分配比的理沦计算和仿真结果，以制动力分配LL70H寸的汽车航向角作为优化目标，对整车重心位罱、轴距等进行了优化，优化效果比较明显，达到了预期的目标。关键词：微型汽车ADAMS彰x件优化塑矍一2AbstractWiththedevelopmentofcomputersimulation，ModelingtheorymadsoftwareEngineering，thesetechniqueshavegainedtheirwidelyuseinsolvingproblemsfacedwithtrafficADAMShasbeenusedwidelyintheresearchofvehicle，andgiveUSapowertulsupportingontheproblemofvehicledynamicsSubminiaturevehicleisdifferentwithcarinthecharacteristicofstructure，priceandworkingsituation；TheresearchofitsmanoeuvreandbrakingismoreimportantthanthatofearBasedoilthetheoryofmulti-bodydynamics，thispaperuseADAMSViewtoestablishthe15DOFmodeIofaceltainkindofsubminiaturevehicleandsimulatethevehiclelTlaUOeuvreandbraking，moreover，itstudythemajorstructurefactorofvehicleabouttheperanceofmanoeuvreandbrakingThenituatethefrontwheelorientationparameterandbraking-threeratioofthevehicleSomeofMinivehicleinchinarlnontheroadsbetweencityandcountry，theseroadsolenotverygood，andtherightfrontwheel(orleftfrontwheel)alwaysisimpactedbythefluctuatingroads1、olimitthevarietyoftheleftfromwheelorientationanglespracticalvalueastherightfrontwheelfluctuating，thispaperuseoptimizationobjectfunctiontoreducethetolerancebetweenthefrontwheelorientationparameterpracticalvalueandsetvalue，andoptimizethestructurefactoroftheMacphersonsuspensionWiththebrakingforceratiosetting70percenttkrou幽theresultsofcalculationandsimulation，itusethesideslipangleasoptimizationobjectfunctiontooptimizethelocationofcgandwheelbaseetc，anditsoptimizationresultsareevidentkeywords：subminiaturevehicleADAMSoptimizationV704837重庆交通学院学位论文原创性声明本人郑重声明：所旱交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果除文中已经注明引用的内容外，奉论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果刑本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：腾圾东H期：z砂年年月lH第一章绪论第一章绪论我国微型汽车工业起步于八卜年代，由于其产品贴近市场、符合国情、有较高的性价比，到九十年代进入快速增长期，从1990年年产45万辆发展到1997年年产3824万辆，七年t1Ii-I产量增加了近九倍。但是最近几年国内轿乍市场掀起降价风暴，轿车以低廉的价格，舒适的性能倍受市场青睐，加卜再轿车厂家纷纷增加投入，开发新品，轿车市场份额越来越大。而国内微车工业生产线大都从国外引进，国外厂家出于技术封锁，控制着属于技术机密的核心底盘数据，I司内各微车集团技术开发数据积累不足，力j：微型汽车属于低盈利产品，作为新产品开发投入的经费也很少。这些情况决定了国内微型汽车生产厂家要进步提高产品性能、扩大市场销售、应对轿车产品的冲击，确实面临着巨大的挑战。微型汽车的价格优势要求它的设计开发只能选择成本低廉、性能稳定的机构，不能象轿车那样装配性能优秀、成本较高的机构总成；既要严格控制成本、义要努力提高整车性能，这些给研究设计人员造成不小的困难。有鉴于此，本研究课题就是在原车的机构总成不作改变的前提下，利用多刚体动力学软件ADAMS和理论研究方法找出影响微型汽车操纵稳定性和制动性能的底盘结构参数，实玑这些参数的优化匹配，达到优化整车操纵稳定性能和制动性能又不增加生产成本的目的，为陶内微型汽车产业掌握相关底盘技术，各微车家自主开发新产品提供帮助。11本课题研究意义：汽车是一个包含惯性、弹性、阻尼等动力学特征复杂的非线性动力学系统，其特点是运动零件多、受力复杂：它的转向、悬架、传动等机构之间相互耦合，动态特征复杂，改变任何一个部件的结构尺、J。或力学特性都会影响到整车的性能。国内各微型汽车厂家进行的变参数设计和适应性设计很难提高整车性能，甚至还会降低从国外引进的成熟车型的某些性能。此外，车辆IIt运动工况也是多种多样的，在实际行驶过程中会有各种各样的外在激励和内部控制，不同的工况F车辆各个零件的空问位氍及受力情况均有变化“3。这些都给运动学与动力学的分析带来很大的困难，以Jj采用传统的方法分析车辆这样复杂的多体系统是非常困难的，方I面无法有效的处理复杂受力下多自由度分析模型的建立和求解；另方1_【ll模型简化后采用占典力学的方法人工求解，导致汽车的许多重要的特性无法得到较精确的定量分析。机械工程中的虚拟样机技术(VirtuaPrototypeTechnology，HIj机械系统塑二至竺笙一2动态仿真技术)是国际上20世纪80年代随着计算机技术的发展而迅速发展起来6一项汁算机辅助工程(CAE)技术“1。工程师在计算机上建立样机模型，对模型进行各种动态性能分析，然后改进样机设计方案，用数字化形式代替传统的实物样机实验。运用虚拟样机技术，可以大大简化机械产品的设计开发过程，大幅度缩短产品开发周期，大量减少产品开发费用和成本，明显提高产品质量，提高产龃的系统级性能，获得最优化和创新的设计产品。凶此，该技术一出现，立即受到了工业发达国家、有关科研机构和大学、公司的极大重视，许多著名制造厂商纷纷将虚拟样机技术引入各自的产品开发中，取得了很好的经济效益。随着近年来计算机技术、国形学技术及训算方法的不断提高，在机械系统仿真(MSS即MechanicaSystemSimulation)领域，国外运用虚拟样机技术研制了很多耩于多体系统动力学理论的仿真分析软件，其中山美国机械动力公司(MechanicalDynamicsInc)开发的ADAMS(AutomaticDynamicAnalysisOfMechanicalSystem)最有代表性“1，它采用模拟样机技术，将强大的大位移、非线性分析求解功能与使用方便的用户界面相结合。ADAMS是集建模、求解、可视化技术于一体的虚拟样机软件，是世界上目前使用范围最广、最负盛名的机械系统仿真分析软件。使用这套软件可以产生复杂机械系统的虚拟样机，真实地仿真其运动过程，并且可以迅速地分析和比较多种参数方案，直至获得优化的工作性能，从而大大减少了昂贵的物理样机制造及试验次数，提高了产品设计质量，大幅度地缩短产品研制周期和费用。ADAMS软件是以多体系统动力学作为分析的理论基础。多体系统动力学是在20世纪60年代，J“大学者结合古典的刚体力学、分析力学与计算机技术在社会生产需求的推动下研究出的力学分支。其主要任务是：建立复杂机械系统运动学和动力学程式化的数学模型，开发实现这个数学模型的软件系统，用户只需输入描述系统的最基本数据，借助计算机就能白动进行程式化的处理；开发和实现有效的处理数学模型的计算方法与数值积分方法，自动得到运动学规律和动力学响应；实现有效的数据后处理，采用动画显示、图表或其他方式提供数据处理结果。目前多体系统动力学己形成了比较系统的研究方法。其中主要有T程巾常用的以拉格朗F1方程为代表的分析力学方法、以牛顿一欧拉方程为代表的矢量力学方法、图论方法、凯恩方法和变分方法等。由于多体系统的复杂性，学者们在建立系统的动力学方程时，往往不采用系统独立的拉格朗日坐标，而采用不独立的笛卡尔广义坐标；对于具有多余坐标的完整或非完整约束系统，用带乘了fi勺拉氏一笙二至箜堕!方程处理足十分规格化的方法”1。导卅的以笛卡尔广义坐标为变量的动力学方程是与广义坐标数El相同的带乘子的微分方程，还需要补充广义坐标的代数约束方程才能封闭。Chace等人应用吉尔(Gear)的刚性积分算法并采用稀疏矩阵技术提高了计算效率，编制了ADAMS程序。住囝外，ADAMS是当前求解像汽车、机器人等复杂机械系统空间位移运动力学的主要软件；本课题利用ADAMS对微型汽车进行仿真，分析其操纵稳定性能和制动性能，找蹦影响这些性能的底盘主要结构参数，通过目标雨数的优化，实现这些结构参数的合理匹配，改善国产微型汽车操纵稳定性能和制动性能。本课题的研究意义就在于：1、通过本课题的研究，找f_1影响微型汽车操纵稳定性和制动性能的有关底擞结构参数，为微型汽车厂家结合少量试验开发出性能良好的微车产品提供帮助。2、微型汽车往往因为轴距短和熏心位置高的结构特点，操纵稳定性和制动稳定性能不甚理想，通过底盘结构参数的合理匹配，改善国产微车的操纵稳定性和制动方向稳定性能。12本课题国内、外研究现状：121国外研究现状1211汽车动力学领域在欧、美、日等发达国家，对汽车动力学研究开始得较早。二二十年代初期，英国的Lanchester、美闺的01ley、法圈的Broulhiet等人开始对独立悬架进行研究，并对转向运动学和悬架运动学进行了分析。到了四十年代后期和五十年代，国外汽车动力学发展很快，各国学者都认识到，轮胎接地印迹处产生的轮胎力控制着汽车的状态，对轮胎特性的研究进行的很深入，分析了轮胎力是怎样影响着汽车的转向和制动性能。在此基础上，Segel和其他的学者们对汽车整车性能进彳r分析、简化后，用人工方法建立起线性方程的整车数学模型，并用时域分析的方法进行求解；他还在1993年lmechg举行的题为“车辆平顺性和操纵稳定性”的会议上发表了论文，并对以前汽车动力学的发展做了较为全面的总结。随着模拟计算机和数字计算机的出现，国外对汽车动力学的研究越来越深入了，对车辆进行建模到了一个全新的阶段“1。学者们建ZTbfi：多复杂的车辆模型和相应的仿真程序，如美国密西根大学建立的十七白rJa度模型，DJSegai建立的十五自由度模型。模型越来越复杂，复杂的模型可以描述汽车的非线性特性和更详细的悬架和整车运动。但是，这类模型中许多总成是通过试验或人为的方法经过第一幸绪论简化，用一组拟合参数来代替和表达的；衙只获得的参数一般是系统的静态和准静态试验参数，与汽车实际运动中的动态特性参数有定的误差，这样势必影响计算准确性。Sege等建立的线性模型存车辆侧向加速度小于039的工况下能够得到满意的分析结果，但现代车辆侧向加速度一般达到089，为此建立汽_乍非线性动力学模型变得非常重要，Mchenry在1969年建立了第一个车辆非线性动力学模型，此后Chance和OI。landea等建立了一个42自由度的多体动力学模型来分析车辆的操纵特性，s1legazy等在2000年建立了一个94自由度的整车非线性模型，并以此模型分析车辆在双移线车道行驶中的瞬念特性，并取得了较好的效果。阁外汽车动力学中的研究经历了山试验研究到理论研究，力学模型由线性模型到非线性多体系统模型发展过程。在多刚体系统动力学诞生和发展以后，八十年代中、后期多刚体动力学软件(知ADAMS，DADS)相继出现，T：程技术人员把多刚体动力学用丁汽车领域的研究，在汽车虚拟设计、虚拟分析、虚拟计算、样机控制乃至虚拟试验等方面J玟得了艮足的发腱：如1991年ZeidA发表的基于计算机辅助设计的车辆动力学控制多体系统仿真的研究文章，VillOCG在1998年开展丁用ADAMS和Xmath一起对车辆动力学系统控制的共同仿真研究“。他们都建立起更为复杂的整车模型。模型中包含汽车结构的各类柔性体，更符合实际情况，取得了和实验结论一致的仿真结果。1212优化设计方面优化设计是六十年代初期在现代计算机广泛应用的基础上发展起来的新技术，是根据迸优化原理和方法综合各方面的因素，以人机结台方式或“自动探索”方式，在计算机上进行的半自动或自动设计，以选出在现有_丁程条件F的晟佳设计方案的-种现代设计方法。其设计原则是最优设计，设计手段是电子计算机及计算程序，设计方法是采用最优化数学方法。从六十年代初期开始，这样一种迭代的数值优化方法火体上沿着阿条道路发展：数学规划法和准则法。五十年代以前，用于解决最优化问题的数学方法仅限于古典的微分法和变分法。五十年代末，数学规划法被首次用于结构最优化，并成为优化设计中求优方法的理论基础，线性规划和非线性jl!划是其主要内容。此外，还有动态规划、L何规划和随机规划等”1。在数学规划方法的基础上发展起米的最优化设计是六十年代初期电子计算机引入结构设计领域后逐步形成的一种有效的没计方法。利用这种方法，不仅使设计周期太大缩短，汁算精度显著提高，而且町以解决传统设计方法所不能解决的最优化设计问题。大型电子计算机的出现，使最优化方法及其理论蓬勃发展，成为应用数学的个重要分支，并在许多第一章绪论科学技术领域中得到了应用。长期以来，数学规划法已经具备很严格的数学理论和仔细研究过的训算方法作为背景，但是随着设计变量的增加，要求的迭代次数急剧增加，这就使得在相当长的时间内，数学规划法的使用只限于较简单的问题。另一力面，传统的设计准则法虽然缺乏严格的数学理论，但是实际使用经验表明，迭代次数与设计变量个数基本无关，稳定在个比较合理的数字上。现在数学规划法和准则法出现了逐步统一的趋势。作为准则法人们已经发现可以用拉格朗r乘子法严格地推导出使用的准则来，为了解决准则法遇到的区分有效约束和无效约束与主、被动变虽的困难，应该借助数学规划法中许多已经成熟的方法来解决它们。另一方面，作为数学规划法，为了提高它的求解效率，人们发现需要充分利用传统的准则法中引用的各种近似。这样，近年来出现了将这两种方法相结合的混合法，如1史密特(Smitte)和弗劳雷(Fleury)等人研究的混合法，这些方法吸收了准则法和规划法两者的优点，是很有前途的优化设计的方法。最近儿年发展起来的最优化技术，特别是启发式搜索、神经网络、模拟退火、均场理论和遗传算法则主要应用在机械系统和控制系统的集成优化问题上，在此不作介绍。以上这些优化设计方法很大部分已经编制成分析软件被推广应用到建筑结构、航天航空、汽车和自动控制系统等领域，美国机械动力公司开发的ADAMS就是其中的应用范例。122国内研究情况1221汽车动力学领域在汽车动力学方面，国内的研究与困外相比起步较晚，七j年代初，氏春汽车研究所开始进行汽车操纵稳定性的研究，研究工作=E要集中在操纵稳定性性能指标的评价方法、试验方法及操纵稳定性力学模型的建立、模型的计算方法、性能预测方法和优化设汁方法等。力学模型从七卜年代研究汽车侧偏和横摆运动的二自由度线性模型，发展到包括侧倾和转向系在内的三至血自由度乃至十三自由度的非线性复合参数模型，其功能也从对汽车稳定性的稳态响应和瞬态响应的分析，发展到汽车转弯制动性能的分析。有文章。1表明，武汉冶金科技大学和清华大学部分学者利用清华大学汽车安全和节能国家重点实验室的汽车力学参数试验台测量与汽车稳态转向特性有关的力学参数，分析了这些数据与被测车辆稳态转向特性的关系。国内还有一些学者深入分析了转向特性和汽车部分结构参数、前轮定位参数的关系。随着多刚体系统动力学在我国的发展，我国学者开始尝试用多体系统动力学第一章绪论的方法对刚体系统进行运动学分析，如吉林大学的林逸教授建立了对汽车独立恳架中的单横臂及摆柱式悬架进行空间运动分析的通用计算程序；第二汽车制造厂的上官文斌等人采用自然坐标的概念，利用虚功原王里建立了汽车转l叫系统和悬架运动学分析方法。这一时期应用多体动力学的研究主要是针对汽车的某总成(如悬架、转向系)，多体模型也是针t划这些总成建立的。随着围外ADAMS等多体软件的引进，近几年国内高校和科研机构利用它们对火牟、装载机械和汽车做了相当深入的研究。丰要有：北方车辆研究所CAE中心针对履带车辆用ADAMSA11V建立整车模型I9，研究了悬挂装置弹簧特性、减振器阻尼特性对车辆振动与冲击动力学的影响，给出了车辆行驶乎稳性、冲击响应的动力学分析结果：卜海交通大学包继华博士应用多体理论对$624032型牵引车建立整车模型“，并把钢板弹簧处理成多个无质量的Timoshenko梁连接的柔性体，模拟钢板弹簧的非线性特性，并仿真了方向盘正弦输入下的整车响应；北京理工大学车辆与交通工程学院建立了发动机、液力变矩器、齿轮传动、离合器的动力学模型，并组装成动力学传动系统虚拟样机，进行了总体仿真“，验证了用ADAMS建模的有效性，取得了很好的仿真效果；华中科技大学的研究人员用ADAMS软件建立了困产轿车的操纵动力学多体仿真模型，详细考虑了前后悬架系统、转向系统以及轮胎，并考虑了各种连接件中的弹性衬套的影响，对整车稳态、瞬态工况进行了动力学仿真；中国农业大学王树风博士利用ADAMS软件获取的动力学分析数据来驱动虚拟场景中的试验车辆“，同时配合虚拟仪表准确的动态显示了该车的运动状态参数，实现车辆的虚拟试验过程仿真。在汽车制动稳定性方面国内的最新研究大多集中在对ABS系统的研究上，如东南大学的研究人员研究了虚拟仪器在汽车ABS控制和数据采集中的应用，主要应用软件LabVIEW对汽车ABS制动管道动态特性进行试验测试；还有天津大学研究的ABS系统装配的轮速传感器：江苏人学电气信息学院的研究人员利用模糊控制方法对汽车ABS的路况识别系统进行控制，识别实时路况，实现ABS在路面发生变化时的控制。1222优化设计方面目前国内在优化设计方法研究方面和国外还有筹距，但是钱令希教授为首倡导的序列：次规划法充分吸收了准则法和规划法的优点，同样也是很有前途的优化设计方法。汽车结构参数优化设计是汽车工Hp近些年的重要研究领域。吉林工业大学的黄金陵曾经在对影响车架结构强度和刚度的出素进行理论分析的基础上，运用惩第一章绪论罚函数法寻得了汽车车架各梁截而参数的最佳值。华中科技火学的吴汀运片j数学规划中的多|：=j标优化方法从降低万向节传动引起的振动和噪声入于，优化了汽车装用多万向节情况下的汽车振动噪声问题。南京工业大学的研究人员借助计算机数值仿真技术用虚拟样机技术建立某型弓qVECo汽车动力学仿真模型，然后用多体动力学理沦预测和优化悬架系统的动力学性能，以前、后轴车身位置振动加速度均方根值的代数和的最小值作为日标函数，优化整车行驶平顺性能。以上研究人员的工作表明，ADAMS作为优秀的机械仿真软州一对于求解车辆动力学问题，尤其仿真实际工况具有明显的优越性。同时还龅明国内制动稳定性的研究人多集中在整车动力学的仿真和装1=jABS防抱死系统轿车的研究上，对丁沿1Ej|制动力固定分配比的微型汽车的制动稳定性研究成果不多，涉及微犁汽车结构参数优化的研究成果也很少；因此本课题主要针对微型汽车的操纵稳定性和制动稳定性能进行仿真，并优化底盘结构参数就显得很有必要了。13本课题的主要研究内容本课题针对微型汽车的操纵稳定性和制动性能方面存在的问题，借助于理论分析和动力学软件ADAMS性能仿真等研究方法和手段，实现微型汽车底盘结构参数优化匹配。本课题主要研究内容有：分析了目前微型汽车装配的前、后悬架、转向系统等子系统的结构特点和性能要求，并理论分析了影响操纵稳定性和制动性能的底盘结构参数。在ADAMS中建立某微型汽车的虚拟样机，划其转向、制动工况进行了仂真，检验了该车前轮定位参数和制动力分配比的合理性，并对比了部分结构参数的变化对仿真中整车操纵稳定性和制动性能的影响。微型汽车经常在路况不好的城乡结合部行驶，前轮经常受到冲击，以着地前轮定位参数的动态值和设计值之筹作为考核的对象，对麦弗逊悬架有关空间点的位置迸行了优化；还以制动侧滑航向角作为一标函数，对底盘结构参数中的轴距，轮距比和重心位置进行了优化。14研究路线本课题根据研究内容的实际需要特制定如罔11的研究路线图第一章绪论收微集杰乱月-冈用-网资结模广1茎广l笙广1对1笼J料构+熟性型I悉能软分绌果件析1椹刑参数化r_一评价图1，1研究路线图一笙三翌!堕墼笪塑堡堡苎型!第二章ADAMS软件的理论基础21虚拟样机技术目前，虚拟样机技术已广泛应用于航空航天、汽车制造、工程机械、国防工业和通用机械制造业等领域。机械系统的虚拟样机技术是指在产品设计开发过程中，将分散的零部件设计和分析技术(指在菜单一系统巾零部件的CAD和FEA技术)揉合在一起，在计算机上建造出产品的整体模型，并钊对该产品在投入使用后的各种工况进行仿真分析，预测产品的整体性能，进而改进产品设计、提高产品性能的一种新技术。虚拟样机技术的研究范围主要是机械系统运动学和动力学分析，其核心是利用计算辅助分析技术进行机械系统的运动学和动力学分析，以确定系统及其各构件赴任意时刻的位置、速度和加速度，同时，通过求解代数方程组确定引起系统及其各构件运动所需的作用力及其反作用力。其中机械系统的运动学分析主要涉及的是系统及其各构件的运动分析，而与引起运动的力无关“。运动学分析中，系统的一个或多个构件的位置或相对位置与时间的关系是规定好的，其余构件的位置、速度和加速度与时间的关系，可以通过求解位置的非线性方程组和速度、加速度的非线性方程组来确定。而机械系统的动力学分析主要涉及的有两类：一是当系统受到静载荷时，确定在运动副制约r的系统平衡位置以及运动副的静反力，这类问题称为系统的静力学分析；二是研究载荷与系统运动的关系，即动力学问题，可以运用动力学方程或微分方程与代数方程的组合求解，确定系统的运动。虚拟样机技术涉及多体系统动力学、计算方法与软件工程等多个学科，能为物理样机的设计和制造提供依据，在设计的初级阶段概念设计阶段就可以对整个系统进行完挫的分析，可以观察并试验各组成部件的相互运动情况。使用系统仿真软件在各种虚拟环境中能真实地模拟系统的运动，它可以在计算机上方便的修改设计缺陷，仿真试验卅i同的设计方案，对整个系统进行=1i断改进，直至获得最优设计方案以后，再做出物理样机。虚拟样机的设计方法同传统的设计方法相比具有以下优，在设计早期确定关键的设计参数、更新产品开发过程、缩短开发周期、降低成本、提高产品质量。综上所述，虚拟样机技术是许多技术的综合。它的核心部分是多体系统运动学与动力学建模理论及其技术实现。作为应用数学的一个分支的数值算法及时地提供了求解这种问题的有效快速算法，计算机可视化技术及动画技术的发腱为这第二章ADAMS软件的理沦基础项技术提供了友好的用户界面。CADFEA等技术的发展为虚拟样机技术的应用提供了技术环境。目前，虚拟样机技术已成为一项相对独立的产业技术，它改变了传统的设计思想，对制造业产生了深远的影响；根据蚓际权威人士对机械工程领域产品性能试验和研究开发手段的统计和预测，传统的机械系统实物试验研究方法，将在很大程度上会被迅速发展起来的计算机数字化仿真技术所取代。22机械系统虚拟仿真软件目前，困内外工程仿真软件层出不穷，主要有IDEAS、PAICRASCH、DADS、NASTRAN和ADAMS等软件，但各仿真软件都有其各自的特点和应用范围，下面简单介绍一)b个应用比较广泛的软件。221PAMCRASCH软件PAMCRASCH软件是法国ESI公司的碰撞模拟有限兀仿真分析的程序包。它提供了强火的有限元前后处理程序和算法优良的解题器，目前已被各大汽车制造厂商广泛采用作为碰撞模拟有限元仿真的专用平台。PAMCRASCII软件提供了运动铰单元(KinematicJointE1ements)，非线性六自由度弹性一阻尼单元(Nonlinear6DOFSpringDashpotElements)，焊点约束等多种实体用于模拟机构各种复杂的运动关系。例如，运动铰单元就有球铰(Spherical)，滑移铰(ransiational)、转动铰(Revolute)、圆柱铰(Cylinder)、平副(Planar)、万向节(Universal)、弯曲一扭转铰(FlexionTorsion)以及用户自定义铰(General)八种类型。并且各种类型的运动铰从其未受约束的自由度上可以自定义刚度、阻尼、摩擦系数等多种参数。PAMCRASCII软件有强大的机构运动模拟功能模拟碰撞时如发动机及变速器、悬架及转向机构的运动及变形。它与有限7七分析软件相比，在模拟大变形、大位移时有其优越性。222DADS软件DADS软件是模拟机械系统的真实行为专业软件。DADS允许用户在计算机上建立，分析，优化机械系统的真实的物理行为。通过建立系统的虚拟样机，使用者可以在进行物理实验之前验证系统运行是否正常和可靠。其基本功能如下：根据系统多体造型自动产生运动学利动力学方程并求解。计算载荷，位置，速度和加速度。装配、运动学、动力学、逆动力学、静力和预加载分析。采用先迸的显式或隐式求解器求解微分代数方程。一笙三蔓竺坐!墼!：堕翌堡茎型旦分析和求解复杂系统行为，如接触、摩擦、柔性部件。基于位置和方位仿真结果的照片真实感动画。可视化高亮显示产tE干涉的部件。矢量显示力，速度，加速度。仿真结果与测试数据在时域和频域内进行相关分析。通过与其它仿真工具如控制，有限元，疲劳等相连接，完成更复杂的设计。223EASY5软件EASY5是一个以图形为基础的软件工具，用于模拟利设计具有微分和代数方程特征的动态系统。波音公司在七十年代初期首先发展了这种软件，但只作为一个内部软件。八十年代商品化以来，EASY5首先渗透到航空市场，现在已应用于汽车和其它多个工业领域。EASY5是波音公司的一个产品。EASY5的用户包括汽车、航空、国防及重机械领域的许多主要的公司。在航空领域，主要的用户包括波音、英国航空、(美国)国家航空和宇宙航行局、SAAB等等。在汽车领域，主要的用户包括福特、Nissan、GeneralMotors等。在一般机械领域，主要的用户包括JohnDeere、Case、UNISIAJEC、三星重工、MitsubishiIleavyIndustry等。EASY5玑已成为MDI公司的一部分。MSC软件公司收购MDI和eASY5将会导致一个强有力的CAD年HCAKK具组合：NASTRANPATRAN、ADAMS年11EASY5。ADAMS；和DynamiCDesigner模拟系统运动、振动、耐久力和机械系统的控制。MDI的产品利用CAD模型作为输入，输出随时问变化的系统载荷和边界条件，适用于多种软件产品作进步的结构性能分析。EASY5模拟系统控制、水利学、气体力学、机械和热的集合系统等广泛的应用场合。224ADAMS软件ADAMS(AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystem)软件，是由美国机械动力公司(MechanicalDynamicsInc)开发的优秀机械系统动态仿真软件，是世界上最具权威性的，使用范围最广的机械系统动力学分析软件之一。用户使ADAMS软件，可以自动生成包括机一电一液一体化在内的、任意复杂系统的多体动力学数字化虚拟样机模型，能为用户提供从产品概念设计、方案论证、详细设计、到产品方案修改、优化、试验规划甚至故障诊断各阶段、全方位、高精度的仿真计算分析结果，从而达到缩短产品开发周期、降低开发成本、提高产品质量及竞争力的目的。由于ADAMs具有通用、精确的仿真功能，方便、友好的用户界面和强塑二兰!些!墼笪塑坚堡茎型坚大的图形动画显示能力，所以该软件已在全世界数以千计的著名大公司中得到成功的应用。国外的一些著名大学也已开设了介绍ADAMs软件的课程，而将三维cAD软件、有限元软件和虚拟样机软件作为机械专业学生必须了解的工具软件。根据1999年机械系统动态仿真分析软件园际市场份额的统计资料，ADAMs软件占据了销售总额近8千万美元的51份额。1。ADAMS软件的特点如F：利用交互式图形环境和零件、约束、力库建立机械系统三维参数化模型，并可有效地分析三维机构的运动与力。例如，可以利用ADAMS来模拟作用在轮胎上的垂直、转向、陀螺效应、牵引与制动、力与力矩：还可应用ADAMS进行整个车辆或悬架系统道路操纵性的研究。分析类型包括运动学、静力学和准静力学分析，以及线性和F线性动力学分析，包括刚体和柔性体分析，利用ADAMS可模拟火位移的系统，ADAMS很容易处理这种模型的非线性方程，也可以采用线性方程来近似处理它们。具有先进的数值分析技术和强有力的求解器，使求解快速、准确。具有组装、分析和动态疑示不l刊模型或同一个模型在某一个过程变化的能力，提供多种“虚拟样机”方案。具有一个强大的函数库供用户自定义力和运动发生器。具有开放式结构，允许用户集成自己的子程序。自动输出位移、速度、加速度和反作用力，仿真结果皿示为动画和曲线图形。uJ预测机械系统的性能、运动范围、碰撞、峰值载荷和计算有限元的输入载荷。有线性系统模态分析、力输入运动以及模拟控制系统的能力。支持司大多数CAD、FEA和控制设计软件包之间的双向通讯。利用ADAMSvIEw提供的控制工具箱或ADAMSControl与MAI、LAB一起可以方便地进行机r乜一体化系统仿真。ADAMS一方面是机械系统动态仿真软件的应用软件，用户可以运用该软件非常方便地对虚拟样机进行静力学、运动学和动力学分析。另一方面，又是机械系统动态仿真分析开发工具，其开放性的程序结构和多种接口，可以成为特殊行业用户进行特殊类型机械系统动态仿真分析的二次开发工具平台。DADS与ADAMS同属机械系统动态仿真软件，两者的原理和功能相似。旦ADAMS软件具有专门解决汽车及悬架没计和仿真的car模块，在模拟和仿真汽车及悬架系统方面比其它的软件方便得多。根据以上软什介绍和国内、外其他研究人员软件选用的情况分析得出，多刚第二章ADAMS软件的理论基础体系统动力学仿真软件ADAMs在汽车动念仿真及优化方面有诸多优势，所以本课题采用ADAMS进行研究分析。23ADAMS理论基础2。3，1广义坐标的选择动力学方程的求解速度很大程度上取决丁广义坐标的选择。ADAMS用刚体的质心笛卡尔坐标和反映刚体方位的欧拉角(或广义欧拉角)作为广义坐标，即q，=x，Y，z，v，0，妒，q=q0，q：r。由于采用了不独立的广义坐标，系统动力学方程是最大数量但却高度稀疏耦合的微分代数方程。“，适于用稀疏矩阵的方法高效求解。文献“”的计算结果表明，含有180个方程、稀疏程度为4(系数矩阵巾平均每行的非零数)的动力学方程求解比含100个方程，稀疏程度为6的动力学方程求解还快。232动力学方程的建立ADAMS程序采用拉格朗同乘子法建立系统运动方程(矩阵形式)：导(a丁却，)r一(OTOq)，+虻p+日jp：Q讲。咖(q，t)=0(23，1)O(q，q7，)=0其中，T为系统动能；q为系统广义坐标列阵；Q为广义力列阵；P为对应于完整约束的拉氏乘子列阵；p为对应于非完整约束的拉氏乘子列阵。23、3动力学方程的求解重新改写式(231)成更一般形式为：【F(q，“，“，A，f)=0lG“，g)=一q=0(232)(q，)=0其中，q为广义坐标列阵；u为广义速度列阵；九为约束反力列阵：F为系统驯-川子71烈7丁性rn及用户定义的微分方程(如用于控制的微分方程，非完整约束方程)：G为系统运动学微分方程；妒为描述约束的代数方程列阵。如定义系统的状态矢量y=q，u7，矿7，式(232)可写成单一矩阵方程：g(卫，t)=0(233)第二章ADAMS软件的理论基础4在进行动力学分析时，ADAMS采用下列两种算法：提供三种功能强人的变阶、变步长积分求解程序：GSTIFF积分器1，DSTIFF积分器和BDF积分器米求解稀疏耦合的非线性微分代数方程，这种方法适一J二模拟刚性系统(特征值变化范围大的系统)。提供ABAM(AdamsBashforthandAdamsMouton)积分求解程序，采用坐标分离算法，来求解独立坐标的微分方程。这种方法适于模拟特征值经历突变的系统或高频系统。2331微分一代数方程的求解算法用Gear预估一校正算法可以有效地求解式(232)所示的微分一代数方程。首先，根据当前时刻的系统状态矢量值，1=jTaylor级数预估下一个时刻系统的状态矢量值。Y=y。+(砂。a，)h+(121)(a2Y。lot2)h2。(234)式中，时问步长h-t。t。这种预估算法得到的新的时刻的系统状态矢量值通常不准确，方程式(232)右边项不等于零，呵由Gear的k+l阶积分求解程序(或其它向后差分积分程序)米校IE。如果预估算法得到的新的时刻的系统状态矢量值满足方程(232)，则可不必进行校正。女Yn+thp。“+l+qY+1(235)l=1式中，Y。为y。在t一。时的近似值；卢。、“。为Gear积分程序的系数值。重写式(235)得：女Y=(-1hjBo)帆1一q+1(236)将式(232)在t=t。时刻展开，得：F(q。l，“，“：兄，f)=0tG(u，g)=+lg：+I=“M一(-1h卢。)(q一日。g。+】)=o(237)I=l(q。，f。)=0ADAMS使用修正的NewtonRaphson程序求解上面的非线性方程，其迭代校正公式为：整=三兰螋!璺丛塑望堡茎型堕FJ+。己Faq)6qJ+I鼬坨)Aui+(OFOuf、幽1i+固F旧酗l=0G，+(aGaq)Aq，+(aG蚤”)J=0(238)|七(0Oq)Aqi=0式中，j表示第j次迭代，q，2q)+1-q，u，=“川-bt，A，=A川一九，由式(236)知：A“：=一(1hflo)Au，(239)由式(237)知：Gaq=(1风)I，OG舭=(2310)将以卜式(9)、(10)代入式(8)，得：(OFaq)Aq，十(OFOu)一(1Ihflo)(OFIOu)“J+(OFIaX)=f1(1hflo)AqJ+AuJ=一G，(2311)嫡自aq)AqJ=一巾i式(2311)中左边Aq，“，A，的系数矩阵称为系统的雅可比矩阵，OF为系统刚度矩阵；OFlOu为系统阻尼矩阵；OFOu为系统质量矩阵。通过分解系统雅町比矩阵(为了提高计算效率，ADAMS采用符号方法分解矩阵)求解匈，“，Asl，计算出q川，“川，十1，g：“：。A：。重复上述迭代校讵步骤，直到满足收敛条件，最后是积分误差控制步骤，如果顸估值与校J下值的差值小于规定的积分误差限，接受该解，t：t+h，进行卜一时刻的求解。否则拒绝该解，并减小积分步长，重新进行预估一校正过程。综上，其它微分一代数方程的求解算法重复预估、校正、误差控制过程，直到求解时间达到规定的模拟时间。2332坐标减缩的微分方程求解算法ADAMS程序提供ABAM积分程序，采用坐标分离算法，将微分一代数方程缩减成用独：盘广义坐标表示的纯微分方程，用ABAM程序进行数值积分。坐标减缩的微分方程的确定及数值积分重复下面过程(】)坐标分离。将系统的约束方程进行矩阵的满秩分解，可将系统的广义坐标列阵q)分解为独立坐标列阵q2)和相关坐标列阵q“)，即q)，tf_j阿第一章ADAIS软件的理论基础(2)予|i|估。用AdamsBashforth显示公式，根据独立坐标前几个时间步长的值，预估t。时刻的独立坐标值q)9，P表示预估值。(3)校正。用AdaalsMoulton公式刈上面的预估值，进行校正得到独立牮标的校正值q。，c表示校正值。(4)确立相关坐标。确定独立坐标的校正值之后，可由相应公式计。算出相哭坐标和其它系统状态变量值。(j)积分误差拧制。与上面预估一校正算法积分误差控制过程相同。234运动学分析、静力学分析及初始条件分析2341静力学分析对静力学、准静力学分析，速度、加速度均为零，式(2，811)简化为I(嵋协，)aq，+(a，Oqj)2A，一(2312)；(a母，Oq)q，=一币，2342运动学分析运动学分析研究不考虑系统运动起凶，Jl研究系统中各部件的位置、速度、加速度和约束反力，故只需求解系统约束方程：拳国。t)；o(2313)其中上式g。已知，任一时刻，。位置的确定，可由约束方程的NewtonRaph8。“迭代求得：(a毋，J)qJ=一(g，f。)(2：314)其中，幻，=g+1-q，表示第j次迭代。t时刻速度、加速度的确定，可由约束方程求一阶、二阶时问导数得到：(，Oq)q=一(Ot)(23i)(却矿：一徊z协：)+喜喜(。2母(街。a吼)碍矧+昙(aq阿+亳(a垂胁珂t=If=1。(2316)t。时刻约束反力的确定，可由带乘予拉格朗f_】方程得到第二章ADAMS软什的理论基础(ac3q)7A=一导(a丁而)+(a71却)7+Q)(2317)2343初始条件分析在进行动力学、静力学分析之前，ADAMS自动进行初始条件分析，这样可保证系统满足所有的约束“。初始条件分析通过求解相应的位置、速度、加速度目标函数最小值得到。(1)对初始位置分析，定义相应的位置目标函数L。为Lo_去窆彬(gqoi)2+驾毋，(2318)其rr，n为系统总的广义坐标数；m为系统约束方程数；九，A：分别为约束方程及对应的拉氏乘子；q。，为用户设定的准确的或近似的初始坐标值或程序设定的缺省坐标值；W，为对应q。的加权系数，如用户指定的q。，是准确坐标值，w耿大值。如用户指定的q。是近似坐标值，w，取小值，如程序设定的q。，坐标值，w。取零值。Lo耿最小值，则由cgL。ItOq，=0及乩。觑=o得l形(q，一qoi)+矽(a妒，。)=0Ij=lI九=0对应的函数彤式l，(硝)一k=1n1_1，m(2320)lgj(qt)_o其NewtonRaphson迭代公式为一十喜芸矽蔫2嘻鲁舻州矿，一秘鲁亿，陲象刮加印)其中，q=q”+、一q”，笃，P=H川一砷，下标p表示第p次迭代。(2)对初始速度分析，定义相应的速度同标函数I一。为LI=(12)窆彬；一q十z_；(dO，Idt)23盟一一蔓三童!竺!塾丛塑堡笙苎型堡其中荪为用户设定的准确的或近似的初始速度值或程序设定的缺省速度值(为零)；彬为对应瓦的加权系数；d，7以=k=l(a庐，e)q：+(a九0r)=o为速度约束方程；A：为对应速度约束方程的拉氏乘子。24ADAMS核心模块除了其它专业模块以外，ADAMS软件包括3个最基本的解题程序模块：ADAMSView(基本环境)、ADAMSS01vet(求解器)平HADAMSPostProcessor(后处理)。241用户界面模块(ADAMSVjew)在3个基本解题程序模块中，ADAMSView提供了一个直接面向用户的基本操作对话环境和虚拟样机分析的前处理功能，其巾包括样机的建模和各种建模工具、样机模型数据的输入与编辑、与求解器和后处理等程序的自动连接、虚拟样机分析参数的设置、各种数据的输入和输出、I司其他应用程序的接门等。ADAMSView采用简单的分层方式完成建模工作，它提供了丰富的零件几何图形库、约束库和力一力矩库，并且支持布尔运算，采用Parasolid作为实体建模的核，支持FORTRAN一77和FORTRAN90中所有函数。除此之外，ADAMSView还提供13个位移函数、9个速度函数、8个加速度函数、2个接触函数、3个样条函数、14个力和力矩函数、8个合力和力矩函数、6个数据元函数、若干用户子程序函数以及6个常量和变量。ADAMSview采用用户熟悉的Motif界面(UNIX系统)和windows界面(NT系统)，提供了相对任意参考坐标系方便定位的功能，从而大大提高了快速建模能力。同时还提供了Plot8rowscr和FunctionBuilderTE具包；具有DS(设计研究)、DOE(实验没计)、OPTIMIZE(优化)功能，可使用户方便地进行优化：1：作。242求解器(ADAMSSoJvet)ADAMSSolver是求解机械系统运动和动力学问题的程序，是ADAMS系列产品的核心模块之一。完成样机分析的准备工作以后，ADAMSView程序町以自动地凋1jADAMSSolver模块，求解样机模型的静力学、运动学或动力学问题，完成仿真分析以后再自动地返回ADAMSView操作界面